(57)【要約】【課題】  各種工場において排熱を有効に回収してこの排熱を熱源として蒸気と温水を同時に供給することができ、しかも蒸気のみあるいは温水のみを弁の切り換えによって選択的に供給することもでき、もってエネルギの有効利用を図ることができるヒートポンプ式蒸気・温水発生装置を提供する。【解決手段】  圧縮手段１、３、凝縮手段５、６、膨張弁９、蒸発器１０をこの順に備え、前記凝縮手段に供給される水を同凝縮手段における冷媒の凝縮熱により加熱して蒸気・温水を供給するヒートポンプ式蒸気・温水発生装置であって、前記凝縮手段５、６を冷媒往管４に直列に接続した第１凝縮器５と第２凝縮器６で構成し、前記第１凝縮器と第２凝縮器からそれぞれ蒸気と温水が同時に供給されるように構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮手段、凝縮手段、膨張弁、蒸発器をこの順に備え、前記凝縮手段に供給される水を同凝縮手段における冷媒の凝縮熱により加熱して蒸気・温水を供給するヒートポンプ式蒸気・温水発生装置であって、前記凝縮手段を冷媒往管に直列に接続した第１凝縮器と第２凝縮器で構成し、前記第１凝縮器と第２凝縮器からそれぞれ蒸気と温水が同時に供給されるように構成してなるヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
【請求項２】
前記圧縮手段を低段側と高段側の２段の圧縮機で構成し、また前記第２凝縮器と前記膨張弁との間における冷媒往管に中間冷却器を設けるとともに、この中間冷却器の気相に一端が接続されたガス冷媒戻し管の他端を、前記低段側圧縮機の吐出側と高段側圧縮機の吸入側との間に接続された中圧冷媒管の途中に接続し、前記第２凝縮器と中間冷却器間の冷媒往管の途中に中間冷却器用の膨張弁とバイパス管とをこれら膨張弁とバイパス管が並列となるように設け、このバイパス管に、外部へ蒸気のみを供給する蒸気供給運転の際には閉ざされているが、蒸気と温水の両方を同時に供給する蒸気・温水供給運転および温水のみを供給する温水供給運転の際には開かれる第１開閉弁を備え、また、前記ガス冷媒戻し管の途中に、前記蒸気供給運転の際には開かれているが、前記蒸気・温水供給運転と温水供給運転の際には閉ざされる第２開閉弁を備え、さらに、前記第２凝縮器への給水管に、前記蒸気供給運転の際には閉ざされているが、前記蒸気・温水供給運転と温水供給運転の際には開かれる第３開閉弁を設けてなる請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
【請求項３】
前記第１凝縮器への給水管の途中に、第１凝縮器への給水量を制御するための給水制御手段を設けて、第１凝縮器から温水または蒸気のいずれかを選択的に供給できるようにした請求項１または２に記載のヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
【請求項４】
前記第２凝縮器への給水管の途中に、第２凝縮器への給水量を制御するための給水制御手段を設けて、第２凝縮器への給水量の調節により同第２凝縮器から供給される温水が所要の温度となるよう調節できるようにした請求項１または２に記載のヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
【請求項５】
前記第２凝縮器への給水管の途中に、第２凝縮器への給水量を制御するための給水制御手段を設けて、第２凝縮器への給水量の調節により冷媒往管内における冷媒圧力を常に所定の圧力以下に維持することができるようにした請求項１または２に記載のヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートポンプ式冷媒回路における冷媒の凝縮熱により水を加熱して蒸気・温水を供給する蒸気・温水発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種工場においては、蒸気や高温水を必要とする反面、排温水が廃棄されているケースが多く、特に食品工場では蒸気殺菌、加熱工程で多量の低圧蒸気が必要であるとともに９０℃以上の殺菌洗浄用高温水を使用し、これら蒸気殺菌や加熱工程、洗浄工程から５０〜８０℃程度の排温水が多量に排出される。
【０００３】
上記排温水の熱は単に水と熱交換させるだけでは温度が低くて十分な熱エネルギの回収ができないため、従来は汚水処理されて廃棄されるのが一般的であるが、そのままでは汚水処理できないため、３５〜４０℃程度に冷却してから放出していて、却って冷却用の処理コストが掛かるという問題がある。
【０００４】
また、冷却工程で使用される冷凍機の排熱も従来は屋外の冷却塔から大気に放出されるのが一般的であり、蒸気や温水用の熱源としては殆ど使用されていない。
【０００５】
さらに、食品工場等の各種工場では、各種のプロセスにおいて蒸気と温水の両方が同時に必要とされるケースが非常に多いのにも関わらず、従来は温水のみあるいは蒸気のみを供給するヒートポンプシステムが各種提案されているに止まり（例えば、特許文献１乃至３参照）、蒸気と温水の両方を同時に必要箇所へ供給することができるものは実用化されていない。
【特許文献１】特開昭５９−１８００１６号公報（第１〜５頁、第１図および第２図）
【特許文献２】特開昭６１−１２５５４７号公報（第１〜２頁、第１図および第２図）
【特許文献３】特開平７−１３９８４７号（第１〜４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、各種工場において排熱を有効に回収してこの排熱を熱源として蒸気と温水を同時に供給することができ、しかも蒸気のみあるいは温水のみを弁の切り換えによって選択的に供給することもでき、もってエネルギの有効利用を図ることができるヒートポンプ式蒸気・温水発生装置を提供できるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る装置は、圧縮手段、凝縮手段、膨張弁、蒸発器をこの順に備え、前記凝縮手段に供給される水を同凝縮手段における冷媒の凝縮熱により加熱して蒸気・温水を供給するヒートポンプ式蒸気・温水発生装置であって、前記凝縮手段を冷媒往管に直列に接続した第１凝縮器と第２凝縮器で構成し、前記第１凝縮器と第２凝縮器からそれぞれ蒸気と温水が同時に供給されるようにした構成のものとしてある。
【０００８】
また、前記圧縮手段を低段側と高段側の２段の圧縮機で構成し、また前記第２凝縮器と前記膨張弁との間における冷媒往管に中間冷却器を設けるとともに、この中間冷却器の気相に一端が接続されたガス冷媒戻し管の他端を、前記低段側圧縮機の吐出側と高段側圧縮機の吸入側との間に接続された中圧冷媒管の途中に接続し、前記第２凝縮器と中間冷却器間の冷媒往管の途中に中間冷却器用の膨張弁とバイパス管とをこれら膨張弁とバイパス管が並列となるように設け、このバイパス管に、外部へ蒸気のみを供給する蒸気供給運転の際には閉ざされているが、蒸気と温水の両方を同時に供給する蒸気・温水供給運転および温水のみを供給する温水供給運転の際には開かれる第１開閉弁を備え、また、前記ガス冷媒戻し管の途中に、前記蒸気供給運転の際には開かれているが、前記蒸気・温水供給運転と温水供給運転の際には閉ざされる第２開閉弁を備え、さらに、前記第２凝縮器への給水管に、前記蒸気供給運転の際には閉ざされているが、前記蒸気・温水供給運転と温水供給運転の際には開かれる第３開閉弁を設けた構成のものとしてある。
【０００９】
さらに、前記第１凝縮器への給水管の途中に、第１凝縮器への給水量を制御するための給水制御手段を設けて、第１凝縮器から温水または蒸気のいずれかを選択的に供給できるようにした構成のものとしてある。
【００１０】
また、前記第２凝縮器への給水管の途中に、第２凝縮器への給水量を制御するための給水制御手段を設けて、第２凝縮器への給水量の調節により同第２凝縮器から供給される温水が所要の温度となるよう調節できるようにした構成のものとしてある。
【００１１】
さらに、前記第２凝縮器への給水管の途中に、第２凝縮器への給水量を制御するための給水制御手段を設けて、第２凝縮器への給水量の調節により冷媒往管内における冷媒圧力を常に所定の圧力以下に維持することができるようにした構成のものとしてある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、洗浄に使用した排水や冷凍機の排熱等の比較的低温の排熱を利用して蒸気と温水とを同時に、または蒸気と温水のいずれかを選択的に供給することができ、しかも構造が簡単で構成機器には特殊な構成、構造のものは不要であり、従来から冷凍機に使用されている既存の機器を採用することができて、製造コストの低減も期すことができる。
【００１３】
また、上述のように冷凍機の凝縮器からの排熱を熱源とする場合には、凝縮温度を低くすることができ、したがって冷凍機における圧縮機の小型化、低動力化を図ることもできる。
【００１４】
さらに、熱源としては前述した工場排熱等以外にも太陽熱や地熱等の他の熱源も有効に利用することができる。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明に係る装置の実施例を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
低段側圧縮機１の吐出側に一端が接続された中圧冷媒管２の他端が高段側圧縮機３の吸入側に接続され、上記低段側と高段側の圧縮機で圧縮手段を構成してある。
【００１６】
前記高段側圧縮機３の吐出側に一端が接続された冷媒往管４の他端は凝縮手段たる第１凝縮器５と第２凝縮器６、中間冷却器用膨張弁７、中間冷却器８および蒸発器用膨張弁９を介して蒸発器１０に接続されていて、同蒸発器の出口に一端が接続された冷媒復管１１の他端が前記低段圧縮機１の吸入側に接続されている。
【００１７】
そして、前記冷媒往管４における中間冷却器用膨張弁７の部分には、同膨張弁を跨ぐバイパス管１２を設けてあってこのバイパス管１２に後述する第１開閉弁Ｖ1を設けてある。
【００１８】
また、前記中間冷却器８の気相に一端が接続されたガス冷媒戻し管１３の他端を前記中圧冷媒管２の途中に接続してあって、ガス冷媒戻し管の途中に、後述する第２開閉弁Ｖ2を設けてある。
【００１９】
前記第１凝縮器５の２次側入口には第１給水管１４を、同出口には蒸気・温水供給管１５をそれぞれ接続してあって、上記第１給水管１４の途中には給水制御手段たる流量制御弁Ｖ4を設けてある。
【００２０】
また、前記第２凝縮器６の２次側入口には第２給水管１６を、同出口には温水供給管１７をそれぞれ接続してあって、上記第２給水管１６の途中には給水制御手段たる流量制御弁Ｖ5と、後述する第３開閉弁Ｖ3を設けてある。
【００２１】
そして前記蒸発器１０の２次側入口には排温水の供給管１８を、同出口には排水管１９をそれぞれ接続してある。
【００２２】
上述のように構成した本発明の装置は、例えば冷媒としてオゾン破壊係数ＯＤＰがゼロであり、温暖化係数ＧＷＰが９５０と実用化フロン冷媒の中で最も低いＲ２４５ｆａを使用し、図２に示す各開閉弁Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3の開閉制御によって蒸気供給運転、温水供給運転、蒸気・温水供給運転に切替えられるように構成されており、以下に本発明の装置における作用について説明する。
【００２３】
蒸気供給運転モードにおいては、第１開閉弁Ｖ1と第３開閉弁Ｖ3が閉、第２開閉弁Ｖ2が開とされ、図３に示されるように低段圧縮機１から吐出された冷媒が高段圧縮機３にてさらに圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって第１凝縮器５に流入し、第１給水管１４からの水を加熱して蒸気を発生させ、発生した蒸気は蒸気・温水供給管１５により外部に供給される。
【００２４】
そして第１凝縮器５で水との熱交換により凝縮した冷媒は第２凝縮器６を流過するが、第２給水管１６の第３開閉弁Ｖ3が閉止されているので、水との熱交換はせずにそのまま第２凝縮器から流出する。
【００２５】
第２凝縮器６からの冷媒はバイパス管１２の第１開閉弁Ｖ1が閉止されているので、膨張弁７により減圧されて気化し、中間冷却器８に流入し、同中間冷却器８で気液分離された液相の冷媒は膨張弁９を経て蒸発器１０に流入する。
【００２６】
蒸発器１０に送られた冷媒は前記膨張弁９による減圧されているとともに、排温水供給管１８からの排温水の熱を奪って気化し、冷媒復管１１により低段圧縮機１に戻される。
前記排温水は蒸発器１０にて汚水処理施設や河川等の公共水域へ流すことができる温度まで冷却される。
【００２７】
しかして、前記中間冷却器８内のガス冷媒は、第２開閉弁Ｖ2が開かれているガス冷媒戻し管１３によって前記中圧冷媒管２に戻され、低段圧縮機１を経ずに高段圧縮機３から再び冷媒往管４に送り出される。
【００２８】
上述のように中間冷却器を介在せしめることによってガス冷媒が前記低段側圧縮機１を経ずに高段側圧縮機３から再び第１、第２の凝縮器に送られるので、成績係数ＣＯＰhを向上せしめることができる。
【００２９】
ところで、前記第１給水管１４の流量調節弁Ｖ4は、必要な温度の蒸気が供給されるように給水量、給水圧力を適宜制御するためのものとしてあり、流量を小なるものとすれば高温に、大なるものとすれば低温に調節することができる。
【００３０】
次に、蒸気と温水を同時に供給する蒸気・温水供給運転モードでは、第１開閉弁Ｖ1と第３開閉弁Ｖ3が開、第２開閉弁Ｖ2が閉とされ、図４に示されるように低段圧縮機１から吐出された冷媒が高段圧縮機３にてさらに圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって第１凝縮器５に流入し、第１給水管１４からの水を加熱して蒸気を発生させ、発生した蒸気は蒸気・温水供給管１５により外部に供給される。
【００３１】
そして第１凝縮器５で水との熱交換により凝縮した冷媒は第２凝縮器６に流入し、第３開閉弁Ｖ3が開かれている第２給水管１６からの水を加熱して温水を発生させてさらに低温の液冷媒となる。
同第２凝縮器６で発生した温水は温水供給管１７から外部に供給される。
【００３２】
第２凝縮器６からの冷媒は第１開閉弁Ｖ1が開かれているバイパス管１２を流過して中間冷却器８に流入し、同中間冷却器８における液冷媒は前述した蒸気供給運転モードの場合と同様に膨張弁９を経て蒸発器１０に流入し、蒸発器１０にて排温水の熱を回収して気化し、低段圧縮機１に戻される。
すなわち、この蒸気・温水供給運転モードでは前記中間冷却器８は受液器として作用する。
【００３３】
上述した蒸気・温水供給運転モードにおいては、第１凝縮器５から蒸気を供給する構成としてあるが、前記流量調節弁Ｖ4による給水量、給水圧力の制御によって、第１凝縮器５からも第２凝縮器６と同様に温水を供給する場合もあり、この場合には第１凝縮器５からは高温水を、第２凝縮器６からは中温水をそれぞれ供給することができる。
【００３４】
すなわち、開閉弁Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3の開閉状態を前述した蒸気・温水供給運転モードと同様にしたまま、前記流量調節弁のＶ4の開度を制御することにより、蒸気・温水供給運転モードから温水のみを供給する温水供給運転モードに切替えることができるようになっている。
【００３５】
すなわち、上記流量調節弁Ｖ4の開度を蒸気・温水供給運転モードの状態からさらに大なるものとすれば、蒸気・温水供給管１５からの蒸気を温水にすることができ、蒸気・温水供給運転モードと温水供給運転モードはこの流量調節弁Ｖ4の開度制御で選択することができるようになっている。
【００３６】
なお、蒸気・温水供給管１５からの蒸気温度や蒸気と温水の切替は、上述のように第１凝縮器５に供給する水の量を調節すればよいのであるから、本実施例の流量調節弁Ｖ4に代えて第１給水管１４に水を送る図示を省略した給水ポンプの駆動を制御する場合もある。
【００３７】
また、前記第２給水管１６の流量調節弁Ｖ5を制御することにより、温水供給管１７から供給される温水の温度も所定の範囲内で任意に調節することができ、流量を小なるものとすれば高温に、大なるものとすれば低温に調節することができる。
【００３８】
さらに、上記流量調節弁Ｖ5を制御することによって冷媒往管４内における冷媒圧力を調節することもでき、この場合、冷媒往管内における高圧冷媒の圧力を図示省略のセンサで検出し、同圧力が所定の上限圧力となった場合には第２給水管１６への給水量を大ならしめて冷媒の温度を低下せしめ、圧力上昇を抑えて高圧冷媒の圧力を所定の範囲内に調節する。
【００３９】
なお、温水供給管１６からの温水温度の切替や高圧冷媒の圧力制御は、前述した蒸気・温水供給管１５からの蒸気温度や蒸気と温水の切替の場合と同様に、第２凝縮器６に供給する水の量を調節すればよいのであるから、本実施例の流量調節弁Ｖ5に代えて第２給水管１６に水を送る図示を省略した給水ポンプの駆動を制御する場合もある。
【００４０】
上述した実施例の装置においては、中間冷却器８からの液冷媒がそのまま膨張弁９を経て蒸発器１０に送られる構成となっているが、図５に示される第２実施例の装置のように、中間冷却器８と膨張弁９との間に熱交換器２０を設け、第３給水管２１からの水を加熱して第２温水供給管２２から中温水を送出できるようにする場合もある。
【００４１】
なお、同図５中の符号Ｖ6は開閉弁、Ｖ7は流量調節弁を示し、開閉弁Ｖ6は中温水の取り出しの要否に応じて開閉操作され、流量調節弁Ｖ7は熱交換器２０への給水量を制御して中温水の温度を調節するためのものである。
【００４２】
この第２実施例のものは、第１実施例の装置と同様に図２の表のように運転モードに対応する弁の開閉操作が行われるが、前記開閉弁Ｖ6は図２における蒸気供給運転モードに対応する運転モードにおいて開成され、蒸気・温水供給運転モードおよび温水供給運転モードの場合には原則として閉止される。
【００４３】
すなわち、第１実施例における蒸気供給運転モードの場合には第２凝縮器６における熱交換を行わないので、中間冷却器８の液相における冷媒に取り出し可能な熱が残留しており、第２実施例のものの場合にはこの中間冷却器８の液相における冷媒の熱により熱交換器２０において中温水を生成することができるのである。
【００４４】
なお、第１実施例の蒸気・温水供給運転モードおよび温水供給運転モードに対応する運転を第２実施例のもので行う場合においても、必要に応じて前記開閉弁Ｖ6を開成して比較的温度の低い中温水を取り出すことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る装置の実施例を示す構成図。
【図２】本発明に係る装置の運転モードと開閉弁の状態を示す表。
【図３】本発明に係る装置の蒸気供給運転における冷媒の流れを示す構成図。
【図４】本発明に係る装置の蒸気・温水供給運転モードおよび温水供給運転モードにおける冷媒の流れを示す構成図。
【図５】本発明に係る装置の他の実施例を示す構成図。
【符号の説明】
【００４６】
１  低段側圧縮機
２  中圧冷媒管
３  高段側圧縮機
４  冷媒往管
５  第１凝縮器
６  第２凝縮器
７  中間冷却器用膨張弁
８  中間冷却器
９  蒸発器用膨張弁
１０  蒸発器
１１  冷媒復管
１２  バイパス管
１３  ガス冷媒戻し管
１４  第１給水管
１５  蒸気・温水供給管
１６  第２給水管
１７  温水供給管
１８  排温水供給管
１９  排水管
２０  熱交換器
２１  第３給水管
２２  第２温水供給管
Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3、Ｖ6  開閉弁
Ｖ4、Ｖ5、Ｖ7  流量制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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